Графическое изображение ОУ

Рис.1

ОУ имеет два входа и один выход. Один из входов - (U_{- ,} Вх₁) называется инвертирующим, другой - (U₊ ,Вх₂) называется неинвертирующим. Для питания ОУ обычно применяются два источника питания (+Е₁, -Е₂), что позволяет иметь входные и выходные напряжения разной полярности относительно земли, с потенциалом равным нулю. Это позволяет включать ОУ друг за другом, каскадно, не используя при этом разделительных конденсаторов. Кроме того, ОУ имеет вспомогательные клеммы для подключения элементов частотной коррекции, баланса нуля выходного напряжения. Клеммы питания (+Е₁, -Е₂), заземления ( ), баланса нуля, коррекции и другие называются служебными и могут в схеме не указываться.

ОУ может содержать в себе различные схемы - функциональные узлы: дифференциальные усилители (ДУ), усилители напряжени, схемы сдвига уровня постоянного напряжения (ССУ), генератор стабильного тока (ГСТ), эмиттерный повторитель (ЭП) и др. Операционный усилитель предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами.

Коэффициент усиления ОУ без отрицательной обратной связи (ООС) называют собственным коэффициентом усиления К₀. Анализ устройств, содержащих операционный усилитель, значительно упрощается, если операционный усилитель считать идеальным. Под идеальным понимают ОУ со следующими параметрами.

- Коэффициент усиления К₀ = ∞,

- Входное сопротивление R_вх=∞,

- выходное сопротивление

- Входной ток I_вх=0,

- ОУ сбалансирован, т.е. U_вых=0, при U=U⁺-U^-=0.

Идеальных ОУ не существует. Однако параметры реальных ОУ с точки зрения погрешностей, создаваемых ими, близки к идеальным.

У реального ОУ входное сопротивление обычно не менее 1 МОм, коэффициент усиления более 10⁵, выходное сопротивление 75 -200 Ом).

При работе ОУ в линейном режиме напряжение на его выходе возрастает с увеличением напряжения U₊ (на неинвертирующем входе) или с уменьшением напряжения U_- (на инвертирующем входе). Дифференциальный (U_дс ) и синфазный входной сигнал (U_{сс )}определяются:

U_дс= (U₊ ^_ U_-)

U_сс=0,5(U₊ + U_-)

Коэффициентом усиления ОУ без отрицательной обратной связи (ООС) называют собственным коэффициентом усиления (К₀).

Коэффициент усиления дифференциального сигнала K₀ определяется:

На рис.2 приведена амплитудная (передаточная) характеристика неинвентирующего ОУ.

Рис.2

Обычно U_{вых max} (+E_п - 1В) , а U_{вых min} (-Е_п +1В).

Диапазон от U _{вых min} до U _{вых max ,} где выходное напряжение зависит от входного напряжения линейно, называется динамическим диапазоном ОУ. Область, где U_вых U_{вых max} и U_вых U_{вых min} называется областью насыщения.

Диапазон входных напряжений от U _{вх min} до U _{вх max} собственно ОУ очень мал из-за большого коэффициента усиления К_о. Например, при К_о=10⁶_, U_{вых max} = U_{вых min} =10В, максимальное значение дифференциального входного напряжения равно:

при U_вх U_{вх max} наступает насыщение.

Поэтому для того, чтобы повысить динамический диапазон по входу и выходу, а также расширить диапазон рабочих частот ОУ охватывают отрицательной обратной связью (ООС), для этого часть выходного напряжения подают на инвертирующий вход.

Передаточная характеристика неидеального ОУ не проходит через ось координат (штриховая линия). Напряжение, которое необходимо подать на вход, для того чтобы U_вых= 0, называется напряжением смещения. (У ОУ с биполярными транзисторами на входе U_cм 1мВ, а у ОУ с полевыми транзисторами на входе U_см 10мВ). На некоторых ОУ имеются специальные выводы для подсоединения потенциометров для компенсации напряжения смещения.

Входной ток смещения.

Для нормальной работы любого ОУ через его входы должны быть пути для протекания постоянного тока (в том или ином направлении). Эти токи называются входными токами смещения (I_в2, I_в1)

Рис.3

Токи смещения I_в1, I_в2 могут отличаться друг от друга. Поэтому значением тока смещения принято считать среднеарифметическое двух входных токов: I_в=(I_в1+ I_в2)/2. В ОУ с биполярными транзисторами на входе I_в»10-⁵ А, с полевыми транзисторами на входе I_в»10^-12А.

Разность двух входных токов смещения называется входным током сдвига I_сд (при этом знак I_сд может быть любым ( + или -): I_сд= I_в1- I_в2

Обычно I_в1» I_в2. Напряжения, создаваемые ими на R₂ и R₁êêR_ос равны соответственно I_в2*R₂ и I_в1*( R₁ïïR_ос).

Чтобы уменьшить влияние токов смещения на выходное напряжение необходимо, чтобы R₂»R₁½½R_ос. При этом падения напряжения от токов смещения на них одинаковы и напряжение смещения минимально. Токи смещения зависят от температуры, что вызывает дрейф выходного напряжения от температуры. Температурный коэффициент тока смещения определяется:

ТК_IВ=dI_В/dТ [мкА/⁰С]

С целью уменьшения влияния токов смещения следует ограничить верхний предел для сопротивления резисторов R₁, R₂, R_ос.